2016FranciscoGerhardtMagro

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(1)UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL. FRANCISCO GERHARDT MAGRO. CULTIVO DA MICROALGA Spirulina platensis EM RACEWAYS PARA A OBTENÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA PARA PRODUÇÃO DE BIOETANOL. Passo Fundo 2016.

(2) FRANCISCO GERHARDT MAGRO. CULTIVO DA MICROALGA Spirulina Platensis EM RACEWAYS PARA A OBTENÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA PARA PRODUÇÃO DE BIOETANOL. Orientadora: Prof. Drª. Luciane Maria Colla Coorientador: Prof. Dr. Jorge Alberto Vieira Costa. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade de Passo Fundo, como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia.. Passo Fundo 2016.

(3) FRANCISCO GERHARDT MAGRO. CULTIVO DA MICROALGA Spirulina Platensis EM RACEWAYS PARA A OBTENÇÃO DE MATÉRIA-PRIMA PARA PRODUÇÃO DE BIOETANOL. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental da Faculdade de Engenharia e Arquitetura da Universidade de Passo Fundo, como requisito para obtenção do título de Mestre em Engenharia.. Prof. Drª. Luciane Maria Colla Orientadora Prof. Dr. Jorge Alberto Vieira Costa Coorientador Prof. Drª. Lucielen Oliveira dos Santos Universidade Federal do Rio Grande-FURG Prof. Dr. Paulo Fernando Marques Duarte Filho Universidade Federal do Pampa - UNIPAMPA Prof. Dr. Vandré Barbosa Brião Universidade Passo Fundo - UPF. Passo Fundo 2016.

(4) AGRADECIMENTOS 9 Agradeço em primeiro lugar a Deus. 9 Aos meus pais Gilmar e Ivana, por tudo que representam pra mim. 9 A minha família pela educação, formação e apoio que sempre recebi. 9 A minha Orientadora, professora Luciane Maria Colla e Coorientador professor Jorge Alberto Vieira Costa pela orientação, confiança, ensinamentos, amizade e paciência. 9 Aos meus estagiários que se tornaram grandes amigos Fábio, Gabriel e Grazieli por estarem sempre junto me apoiando e contribuindo de diversas formas. 9 A Ana Cláudia Margarites pelos auxílios, ensinamentos e amizade. 9 Aos Colegas de laboratório pelo convívio e pelas incansáveis conversas sobre os anseios para o futuro. 9 Agradeço ao corpo de professores que me acompanharam durante esse período e a Universidade de Passo Fundo (UPF). 9 A todos os amigos e colegas que de alguma forma me apoiaram, auxiliaram e compreenderam nesta caminhada..

(5) RESUMO A busca por fontes energéticas renováveis foi impulsionada nas últimas décadas, pois as fontes de combustíveis não renováveis tendem a se esgotar, surgindo assim à busca pelos biocombustíveis obtidos através da biomassa de microrganismos, como as microalgas. Essa forma de produção de biocombustíveis torna se viável uma vez que pode ser realizado em terras com baixo potencial agrícola. Porém, as produções em grande escala, necessárias para a implementação da indústria de biocombustíveis algais, possuem várias limitações e demandam estudos e pesquisas para tornarem viáveis. A tecnologia mais difundida para o cultivo em grande escala de microalgas são os raceways, sendo que nesses fotobiorreatores, alguns fatores, como os processos de agitação, a definição dos ciclos de luz e escuros ótimos, a fotoinibição, a redução da sedimentação e a maximização das produtividades, precisam ser estudados. O objetivo do trabalho foi o desenvolvimento de uma estratégia de aumento na escala de produção da microalga Spirulina platensis cultivada em raceways para o aproveitamento da biomassa e do carboidrato extracelular (solúvel) visando a produção de bioetanol. A realização do experimento foi em mini raceways e em planta piloto. O fluxo do fluido foi simulado nos mini raceways que foram confeccionados em acrílico com sistema de agitação na forma de pás. A microalga utilizada foi a Spirulina platensis LEB 52, cultivada em meio Zarrouk em condições apropriadas para o acúmulo de carboidratos. Ao final das fases estacionária e de declínio do cultivo, a biomassa foi utilizada para determinação de carboidratos, lipídios e proteínas. No líquido resultante do processo de centrifugação também foi determinado o carboidrato extracelular no meio de cultivo. Como resultado é possível relatar que a velocidade de agitação interferiu na concentração celular, pois o cultivo com menor velocidade (0,10 e 0,15 m.s-1) atingiu uma concentração menor, isto devido ao maior volume no raceway de zonas de estagnação. A velocidade de agitação e a fase de cultivo influenciaram na concentração de carboidrato na célula, nas velocidades de 0,10 e 0,15 m.s-1 a quantidade de carboidratos intracelulares foram inferiores às cultivadas com maiores velocidades em ambas as fases de cultivo. A biomassa cultivada até o início da fase de declínio apresentou maior concentração de carboidratos, devido à maior restrição de nutrientes, o que pode ter afetado positivamente no acúmulo de carboidrato. As concentrações de proteína obtiveram relação inversa com a concentração de carboidratos. A concentração dos carboidratos extracelulares foi maior na fase de declínio do cultivo, o que configura que foram mais produzidos na fase estacionaria do cultivo, ou esse carboidrato extracelular não seja somente proveniente dos exopolissacarideos, e sim de carboidrato celular que foi liberado ao meio. O cultivo foi realizado no raceway com volume de 250 L, atingiu a concentração de biomassa na fase estacionaria de 1,10±0,004 g.L-1, o desempenho foi inferior quando comparado como ao mini raceway piloto devido a profundidade do fluido que limitou a luz recebida pelas células. A concentração menor de carboidrato no raceway da planta piloto quando comparado ao cultivo realizado no mini raceway. A concentração dos carboidratos extracelulares se assemelha ao cultivo nos mini raceways, onde na fase de declínio obteve-se a maior concentração. Palavras-Chaves:Algas; Simulação do fluxo; Exopolissacarídeos; Bioetanol..

(6) ABSTRACT The search for renewable energy sources was boosted in recent decades, as the sources of non-renewable fuels tend to run out, thus resulting in the search for biofuels made from biomass of microorganisms such as microalgae. Biofuel production this form becomes viable as it can be done on land with low agricultural potential. However, the production on a large scale, necessary for the implementation of the algal biofuel industry, have several limitation. The most widespread technology for the large scale cultivation of microalgae are the raceways, and these photobioreactors, some factors, such as the stirring process, the definition of the cycles of light and fine dark, photoinhibition, the reduction of sedimentation and maximization productivities, need to be studied. The objective was to develop a strategy increase in microalgae production scale Spirulina platensis grown in raceways for the use of biomass and extracellular carbohydrate (soluble) aimed at the production of bioethanol. The completion of the experiment was carried out in mini raceways and pilot plant. The flow was simulated in miniature raceways which were made of acrylic with stirring system in the form of blades. The microalgae Spirulina platensis LEB 52 was used, Zarrouk grown in medium under conditions appropriate for the accumulation of carbohydrates. At the end of the stationary phase and decline in cultivation, the biomass was used for determination of carbohydrates, lipids and proteins. In the resulting liquid centrifuge process it was also determined in exopolysaccharides carbohydrate or soluble in the culture medium. As a result it is possible to report that the stirring speed affect cell concentration, for cultivation at a lower rate (0.10 to 0.15 m.s-1) had a lower concentration, due to the larger volume in the raceway stagnant zones. The stirring rate and the growing phase influence the carbohydrate concentration in the cell, at the speeds of 0.10 and 0.15 m.s-1 the amount of intracellular carbohydrate were lower than those cultured with increasing speeds in both phases of cultivation. Biomass grown until early decline phase showed a higher concentration of carbohydrates due to greater restriction of nutrients, which may have impacted positively on carbohydrate accumulation. Protein concentrations obtained an inverse relationship with the concentration of carbohydrates. The concentration of extracellular carbohydrates was higher in all experiments in the decline phase of cultivation, which sets that were more produced in stationary cultivation phase, or that extracellular carbohydrate is not only from the exopolysaccharides, but cell carbohydrate that has been released. Cultivation was carried out in the raceway with volume of 250 L, reached the concentration of biomass in stationary phase of 1.10±0.004 g.L-1, the performance was lower as compared to mini raceway because the depth of the fluid which limited the incoming light by the cells. The lowest concentration of carbohydrate in the pilot plant compared raceway cultivation performed in mini raceway. The extracellular concentration of carbohydrates resembling the cultivation in the mini raceways where the decline phase yielded the highest concentration. Key Words: Algae; Simulation flow; Exopolysaccharides; Bioethanol..

(7) LISTA DE FIGURAS. Figura 1-Ciclo de Calvin .......................................................................................................... 21 Figura 2 -Fotobiorreatores utilizados no cultivo de microalgas: (a) raceway pond (b) tipo de placa plana, (c) tipo tubular inclinado e (d) tipo horizontal / contínuo.............................. 26 Figura 3 - Fluxograma geral proposto para os métodos da pesquisa........................................ 28 Figura 4 - Imagem geral do interior da estufa para cultivo de microalgas. .............................. 29 Figura 5 - Modelo padrão e modificado de raceway utilizados por Duarte Filho (2002) para cultivos com Spirulina ....................................................................................................... 30 Figura 6 – Imagem do raceway de 350 L de fibra de vidro ..................................................... 31 Figura 7 - Imagem dos mini raceways em acrílico e do sistema de agitação ........................... 32 Figura 8 - Imagem do raceway em 3D e discretização do volume em células ........................ 40 Figura 9 - Comportamento fluidodinâmico no raceway modificado com velocidade inicial de 0,30 m.s-1............................................................................................................................ 41 Figura 10 - Comportamento fluidodinâmico no raceway padrão com velocidade inicial de 0,30 m.s-1............................................................................................................................ 42 Figura 11 – Relação entre a velocidade inicial e o volume do raceway com velocidade menor que 0,1 m.s-1 ....................................................................................................................... 44 Figura 12 - Volume no raceway modificado com velocidade <0,1 m.s-1, com a velocidade inicial de 0,30 m.s-1. ........................................................................................................... 45 Figura 13 - Volume no raceway modificado com velocidade <0,1 m.s-1, com a velocidade inicial de 0,15 m.s-1 ............................................................................................................ 45 Figura 14 – Curvas de crescimento dos cultivos realizados a 0,10; 0,15; 0,20 e 0,25 m.s-1 .... 47 Figura 15 – Curvas de crescimento dos cultivos realizados a 0,30; 0,35; 0,40 e 0,45 m.s-1 .... 48 Figura 16 – Concentração de carboidratos extracelulares (mg.L-1) obtida nas fase estacionária (FE) e de declínio (FD) para as diferentes velocidades de agitação estudadas nos cultivos de Spirulina ........................................................................................................................ 51 Figura 17 – Concentração de carboidratos intracelulares (%) obtida na fase estacionária (FE) e de declínio (FD) para as diferentes velocidades de agitação estudadas nos cultivos de Spirulina............................................................................................................................. 53 Figura 18 – Produtividade em carboidratos intracelulares (g.L-1.d-1) obtida nas fase estacionária (FE) e de declínio (FD) para as diferentes velocidades de agitação estudadas nos cultivos de Spirulina.................................................................................................... 54 Figura 19 – Concentração de proteínas (%) obtida na fase estacionária (FE) e de declínio (FD) para as diferentes velocidades de agitação estudadas. ....................................................... 55 Figura 20 – Concentração de lipídios (%) obtida na fase estacionária (FE) e de declínio (FD) para as diferentes velocidades de agitação estudadas nos cultivos de Spirulina. .............. 56 Figura 21 – Curvas de crescimento do cultivo realizado na planta piloto e a 0,35 m.s-1 ......... 57.

(8) LISTA DE TABELAS. Tabela 1: Composição do meio de Zarrouk.............................................................................. 35 Tabela 2: Data e a radiação solar média em que os blocos e as réplicas dos experimentos foram realizados ................................................................................................................. 36 Tabela 3: Rotação das pás, velocidades iniciais, velocidade máxima, velocidade mínima e volume com a velocidade menor que 0,1 m.s-1 no mini raceway. ..................................... 43 Tabela 4: Tempos de cultivo até início das fases estacionária e de declínio celular (d) e concentração final de biomassa (g.L-1) obtida nas duas fases de cultivo.......................... 49 Tabela 5: Intervalo da fase exponencial (d), tempo da fase log (d), produtividade máxima em células (g.L-1.d-1), velocidade especifica máxima de crescimento (d-1) e tempo de geração (d) ....................................................................................................................................... 50.

(9) SUMÁRIO. 1 2. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 10 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 13 2.1 Objetivo Geral .......................................................................................................... 13 2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................... 13 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 14 3.1 Microalgas como matéria-prima para a produção de bioetanol ............................... 14 3.2 Condições para produção da biomassa microalgal ................................................... 15 3.2.1 Condições de agitação nos raceways ................................................................. 16 3.2.1.1 Fluidodinâmica Computacional .................................................................. 19 3.3 Potencial de acúmulo de carboidrato nas microalgas ............................................... 20 3.3.1 Utilização dos exopolissacarídeos na produção de bioetanol ............................. 23 3.4 Sistema de cultivo das microalgas ............................................................................ 24 3.5 Obtenção de biocombustíveis no contexto de biorrefinarias .................................... 26 4 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 28 4.1 Planta piloto raceways .............................................................................................. 28 4.2 Projeto e construção dos raceways ........................................................................... 29 4.3 Simulação do fluxo nos mini raceways .................................................................... 32 4.3.1 Pré-processamento da Simulação ....................................................................... 32 4.3.2 A solução da simulação ...................................................................................... 33 4.3.3 Pós-processamento da simulação ....................................................................... 34 4.3.4 Quantificação das zonas de estagnação .............................................................. 34 4.4 Ajuste na velocidade de agitação nos raceways ....................................................... 34 4.5 Condições de cultivo ................................................................................................ 35 4.6 Determinações analíticas .......................................................................................... 37 4.6.1 Determinação dos parâmetros de crescimento ................................................... 37 4.6.2 Quantificação dos exopolissacarídeos ................................................................ 38 4.6.3 Caracterização da biomassa de microalga .......................................................... 38 4.7 Análise dos dados ..................................................................................................... 39 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................................... 40 5.1 Estudo da simulação do fluxo................................................................................... 40 5.1.1 Quantificação das zonas mortas ......................................................................... 42 5.2 Cultivo em mini raceways ........................................................................................ 46 5.2.1 Efeitos das condições de cultivo nos carboidratos extracelulares ...................... 50 5.2.2 Efeitos das condições de cultivo nos carboidratos intracelulares ....................... 52 5.2.3 Efeitos das condições de cultivo nas concentrações de proteínas e lipídios da biomassa 54 5.3 Cultivo realizado com o aumento de escala ............................................................. 56 5.4 Rendimentos teóricos de bioetanol ........................................................................... 59 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 60 6.1 Recomendações para trabalhos futuros .................................................................... 61 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 62 APÊNDICE A – Projeto raceways planta piloto ...................................................................... 72 APÊNDICE B – Projeto raceways planta piloto ...................................................................... 73 APÊNDICE C – Projeto dos mini raceways ............................................................................ 74 APÊNDICE D – Comportamento fluidodinâmico nos mini raceways .................................... 75.

(10) 10. 1. INTRODUÇÃO A tendência dos combustíveis fósseis se esgotarem impulsionou a busca por fontes. renováveis de biocombustíveis líquidos, entre eles o biodiesel e o bioetanol, sendo atualmente produzidos em grande escala, a partir de matérias-primas como grãos de soja e mamona, cana-de-açúcar e milho, respectivamente. Porém, o cultivo destas culturas necessita de terras agriculturáveis, o que segundo alguns autores, competem com a produção de alimentos (ESCOBAR et al., 2009; SOUZA et al., 2014). Desta forma, pesquisas estão sendo realizadas, a fim de buscar novas fontes de biocombustíveis líquidos, viáveis de serem utilizadas em grande escala, dentre elas destacam-se as microalgas. A partir da biomassa microalgal podem ser produzidos os dois tipos de biocombustíveis líquidos: o biodiesel, através dos lipídios presente na biomassa (CHISTI, 2008; GONG; JIANG, 2011) e o bioetanol, obtido através da sacarificação dos carboidratos da biomassa (HERNÁNDEZ et al., 2015; MIRANDA et al., 2012). A produção em escala industrial, necessária para a implementação da indústria de biocombustíveis algais, possui vários pontos críticos, limitando o desenvolvimento de plantas de cultivo comerciais. Mas alguns fatores, como o estudo dos processos de agitação, a definição dos ciclos de luz e escuros ótimos, a limitação da fotossaturação e fotoinibição, a redução da sedimentação e a maximização das produtividades, precisam ser estudados (MOLINA GRIMA et al., 1996; TREDICI, 2010; PRUSSI, et al., 2014; YUSUF, 2007). A iluminação homogênea, frequentemente usada em laboratório para testar novas espécies ou novos conceitos para o desempenho bioquímico, dificilmente é obtida em escala industrial (ZHANG, 2013). Em raceways em escala industrial, as microalgas são expostas à luz incidente com intensidade variável (luz solar) (BOROWITZKA, 1999). O movimento das microalgas que estão fluindo no meio de cultura no raceway agitado mecanicamente depende da velocidade de agitação. A velocidade de mistura deve ser suficientemente alta para as células não se acumularem nas áreas onde o fluxo é baixo. Estas áreas são conhecidas como "zonas mortas '' ou zonas de estagnação nas quais se desenvolvem condições anaeróbicas que levam a propagação de bactérias anaeróbicas e, numa extensão limitada, também reduzem a quantidade física do biorreator, diminuindo assim a eficiência de cultura (HADIYANTO, 2013)..

(11) 11. No contexto de melhorar a hidrodinâmica em biorreatores, a fluidodinâmica computacional (CFD) é uma ferramenta de baixo custo poderosa que já provou a sua eficácia no que diz respeito ao design de fotobiorreatores (BITOG, et al., 2011) Os cultivos das microalgas como a Spirulina, Chlorella e Haematococcus estão entre as microalgas comumente produzidas. Após a colheita da biomassa seus meios de crescimento são simplesmente descartados, mas uma vasta gama de microalgas é capaz de produzir grandes quantidades de substâncias poliméricas extracelulares (exopolissacarídeos -EPS), os quais são constituídos principalmente por polissacarídeos, proteínas e /ou outros biopolímeros em proporções diferentes (LI et al., 2011). Porém os mesmos possuem potencial de serem utilizados para a produção de bioetanol, tornando assim o processo mais sustentável e inserido num conceito de biorrefinaria. O efeito das variáveis de fluxo sobre o crescimento celular associado ao acúmulo de carboidratos intracelulares, ou ainda relacionados à liberação de exopolissacarídios, ainda não foi esclarecido pela literatura, embora haja vasta literatura à respeito da influência dessas variáveis sobre a produção de biomassa. Melhorias e inovações para o processo de produção de biocombustíveis devem ser alcançadas incluindo o desenvolvimento da abordagem de biorrefinaria, para a utilização de todas as frações da biomassa de microalgas (SOH et al., 2014). Dentre essas frações, os exopolissacarídios (EPS), metabólitos secundários produzidos durante a fase estacionária de crescimento do microrganismo, precisam ser considerados (DE PHILIPPIS; VINCENZINI, 1998; PARIKH; MADAMWAR, 2006). O potencial de produção de EPS e a conversão deste substrato para glicose pode permitir uma maior exploração das microalgas para a produção de bioetanol (GOO et al., 2013; LAMMENS et al., 2012; YEN et al., 2013). Além da vantagem das microalgas possuírem potencial para a produção de biocombustíveis, os cultivos podem ser inseridos entre a infraestrutura urbana ou fazer parte dela, auxiliando na remoção do CO2 atmosférico nos grandes centros urbanos. E até mesmo utilizando efluentes urbanos e industriais como fonte de nutrientes para os cultivos, contribuindo para o desenvolvimento sustentável das cidades (CHISTENSON; SIMS, 2012). Por essas razões as microalgas têm sido indicadas como uma potencial alternativa para a produção de combustíveis devido à sua capacidade de serem utilizadas como matéria-prima para a produção de biodiesel e bioetanol. Este projeto faz parte da linha de pesquisa em Infraestrutura Sustentável, e ao grupo de pesquisa em Saneamento Ambiental, uma vez que para a produção de biocombustíveis a.

(12) 12. partir de microalgas podem ser consideradas diversas alternativas de composição de meios de cultivos, incluindo estratégias de operação de biorreatores, bem como o uso de efluentes agroindustriais, buscando uma valoração destes. Ainda, faz parte das pesquisas vinculadas ao Laboratório de Fermentações da Universidade de Passo Fundo, como parte do projeto intitulado “Planta piloto de produção de microalgas e uso da biomassa em aquicultura, na produção de bioetanol e como antioxidante”, aprovado na chamada 56 linha 2 do CNPq..

(13) 13. 2 2.1. OBJETIVOS Objetivo Geral O objetivo geral foi o desenvolvimento de uma estratégia de aumento de escala de. produção da microalga Spirulina platensis cultivada em raceways para o aproveitamento da biomassa e do carboidrato extracelular (solúvel) visando a produção de bioetanol. 2.2. Objetivos Específicos Os objetivos específicos foram: a). Realizar a simulação computacional do fluxo a partir da geometria de raceways visando identificar zonas de estagnação de biomassa;. b). A partir das velocidades definidas pela simulação de fluxo, realizar ensaios em raceways de 10 L para avaliar a influência da velocidade de agitação e da fase de cultivo na produção de carboidratos intra e extracelulares;. c). Avaliar o aumento de escala da produção (raceways de 250 L) nas melhores condições de velocidade definidas anteriormente..

(14) 14. 3 3.1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Microalgas como matéria-prima para a produção de bioetanol Estudos recentes têm demonstrado que algumas espécies microbianas, tais como. leveduras, fungos, e microalgas podem ser usadas como matérias-primas potenciais para a produção de biodiesel e bioetanol, devido à capacidade das mesmas de armazenar grandes quantidades de lipídios e carboidratos na sua biomassa (CHISTI, 2008; DRAGONE et al., 2011; TSIGIE et al., 2013). A maioria dos estudos é em relação à produção de biocombustíveis de microalgas (CHISTI, 2008; DRAGONE et al., 2011; HO et al., 2013: YEH; CHANG, 2011). Margarites (2014), em experimentos de produção de etanol a partir de biomassa de Spirulina sp., apresentou produtividade de 1,18 g.L-1.h-1 de etanol, utilizando 50% dos carboidratos provindos da sacarificação da biomassa e 50% a partir da glicose. Fatores como a elevada eficiência de conversão fotossintética, o rápido crescimento, o elevado teor de lipídios e carboidratos, o uso de áreas com reduzida ou nula produtividade agrícola e a consequentemente a baixa competição com as culturas terrestres, fazem das microalgas uma das matérias-primas mais promissoras para a produção de biodiesel e bioetanol (ABREU et al., 2012; CHISTI, 2008). As microalgas também possuem a capacidade de modificação da composição bioquímica das células através da variação das condições de crescimento, e a possibilidade de utilizar CO2 dos gases de combustão de centrais elétricas ou outras fontes industriais para aumentar a taxa de crescimento (STEPHENSON et al., 2010). Além dessas vantagens, as microalgas (cianobactérias) são capazes de produzir polissacarídeos extracelulares (EPS), e estes podem formar cápsulas que são estruturas compactas associadas com a superfície celular ou como massa mucilaginosa amorfa, fracamente ligada às células e em muitos casos, podem ser liberados para o meio (DE PHILIPPIS; VINCENZINI, 1998; FAY, 1983). De Philippis e Vincenzini (1998) relataram que, até 1998, 70 cepas haviam sido estudadas com relação à produção de EPS sendo a maior parte dos estudos referentes à determinação da composição em açúcares dos polímeros. Os açúcares encontrados em EPS de cianobactérias, no geral, são as hexoses, glicose, galactose e manose; as pentoses, ribose, xilose e arabinose; as desoxihexoses, fucose e ramnose e os açúcares ácidos, ácido glicurônico e galacturônico. Esses açúcares presentes nos EPS podem ser utilizados para a geração do bioetanol através do processo de fermentação..

(15) 15. 3.2. Condições para produção da biomassa microalgal As microalgas requerem condições de cultivo adequadas para crescer. Com condições. otimizadas de cultivo maior é a taxa de crescimento e produtividade (FERNANDEZ et al., 2012). O cultivo de microalgas requer condições ambientais específicas, que variam de espécie para espécie. Os parâmetros principais que influenciam a produção de biomassa incluem intensidade da luz e comprimento de onda adequado, a temperatura, a concentração de CO2, a quantidade de nutrientes, condições de mistura e contaminação (SINGH; DHAR, 2011). Além da água, um dos fatores mais importantes para o crescimento microbiano é o carbono, sendo este o esqueleto estrutural da matéria viva, ele é necessário para todos compostos orgânicos que constituem uma célula viva. O CO2 está presente no ar atmosférico em baixas concentração o que pode limitar o crescimento rápido, e como cerca de 45% a 50% da biomassa das microalgas é de carbono, muitas vezes é necessário suplementar este carbono para que se possa atingir uma taxa de crescimento maior. Este CO2 é geralmente misturado com ar em culturas gaseificadas ou injetado nas culturas de microalgas através de vasos de troca gasosa em fotobiorreatores ou tanques abertos (CHAE et al., 2006; DOUCHA et al., 2005) A fonte de energia para as microalgas fotoautotróficas é disponibilidade e a intensidade da luz, sendo este um dos principais parâmetros que afetam o sucesso ou fracasso de culturas das microalgas. Com o aumento da intensidade de luz, aumenta a fotossíntese até que um ponto é alcançado onde a taxa máxima de crescimento é atingida (ponto de saturação) (LEE, 2001; RICHMOND, 2000). O aumento da intensidade da luz para além deste ponto não aumenta a taxa de crescimento e pode levar à foto-oxidação, danificando os receptores de luz diminuindo a velocidade de fotossíntese e produtividade (fotoinibição) (SINGH; DHAR, 2011). Outro parâmetro que afeta o crescimento é a temperatura, que se geralmente aumentada conduz a um aumento exponencial do crescimento das microalgas, até que um nível ótimo seja atingido, após o crescimento diminui. Para culturas ao ar livre e sistemas abertos, a capacidade de controlar as temperaturas é muitas vezes é limitado, e é determinado pela temperatura atmosférica, radiação solar, e umidade. A flutuação na temperatura ambiente.

(16) 16. pode resultar em temperaturas diurnas com diferenças de até 20 °C para as noturnas, o que pode afetar a produtividade (OLAIZOLA, 2000). Além do carbono, as microalgas necessitam de outros nutrientes como nitrogênio, enxofre, fósforo, potássio, magnésio, cálcio e sódio. Além disso, requerem quantidades muito pequenas de elementos traços (micronutrientes), como ferro, cobre, cobalto, manganês molibdênio e zinco. Embora necessários em pequeníssimas quantidades, os elementos traços são fundamentais para o funcionamento celular adequado, algumas microalgas ainda necessitam baixas concentrações de vitaminas no meio de cultura. As microalgas de uma mesma espécie possuem diferentes quantidades de proteínas, carboidratos e lipídeos, quando cultivadas em meios com diferentes quantidades de nutrientes (PROCHÁZKOVÁ et al., 2014; TORTORA et al., 2012). A contaminação por espécies indesejáveis principalmente no sistema de tanques aberto é outro parâmetro que afeta a taxa de crescimento. Quando um tanque aberto é inoculado com a cepa desejada de microalgas com o objetivo de iniciar o crescimento e dominar a flora do biorreator, pode acontecer de que algumas espécies indesejadas sejam inevitavelmente introduzidas, reduzindo o rendimento e competindo com as espécies inoculadas (SCHENK et al., 2008). A Spirulina platensis possui a vantagem de ser cultivada em pH alcalino e meio altamente salino, fatores importantes na prevenção na contaminação do cultivo, pois limita o crescimento de microrganismos somente nessas condições (BOROWITZKA, 1999). Em concentrações elevadas de algas, quase toda a luz disponível é absorvida somente por uma fina camada superior de células nos reatores, que pode ser evitada por meio de uma agitação adequada. A agitação deve ser suficiente para manter as células de algas em suspensão, proporcionar uma exposição uniforme de luz em todas as células, aumentar a transferência de massa para reduzir o gradiente de nutriente na cultura e para evitar a sedimentação das células. No entanto, o fornecimento de energia excessiva pode produzir danos celulares as microalgas que são suscetíveis às forças de cisalhamento, afetando o desempenho da cultura (MOLINA GRIMA et al., 2001). 3.2.1 Condições de agitação nos raceways A agitação deve ser suficiente para manter as células de algas em suspensão e para fornecer exposição uniforme de luz de todas as células. Em fotobiorreatores a agitação evita a sedimentação das células e suporta distribuição de CO2 e O2 (MOLINA GRIMA et al., 1996)..

(17) 17. A maioria dos raceways possuem canais com largura e profundidade constantes e curvas fechadas. Em tais sistemas, a resistência à circulação da água tem duas partes distintas: nas seções retas e nas curvas fechadas (BOROWITZKA, 2005). A maior parte da perda de energia ocorre nas curvas, por isso é necessário as modificações de designs e da velocidade de agitação para minimizar essa perda de energia (ZHANG, 2013). O desempenho da mistura pode ser determinado pela variação das propriedades hidrodinâmicas (velocidade de circulação e a presença de zonas mortas), que são influenciados pela geometria do fotobiorreator e pela velocidade de agitação (PRUVOST et al., 2008). O rendimento da produção de microalgas inicialmente aumenta com o aumento da turbulência, provavelmente devido à melhoria do abastecimento de CO2 ou a frequência do ciclo escuro-luz, mas ao atingir valor ideal, o rendimento se diminui rapidamente, com aumento de turbulência (HADIYANTO et al., 2013). O consumo de energia também é importante uma vez que desempenha importante papel econômico na produtividade de biomassa. O consumo de energia é em grande parte determinada pela energia hidráulica necessária para manter o fluido com velocidade. Um raceway longo implica em mais energia consumida para movimentar a água ao longo do canal, e em adição, a forma de curvas também irá afetar a energia necessária para fazer circular o fluxo de água no canal (HADIYANTO et al., 2013). As microalgas necessitam de uma agitação adequada, a fim de evitar fotoinibição e fotolimitação e atingir alta eficiência fotossintética, o que poderia ser atendido com diferentes soluções para manter as velocidades de fluxo elevadas e, por conseguinte, os níveis de turbulência, mas por outro lado é necessário promover a produtividade celular. Assim, a otimização fluidodinâmica não pode ser realizada sem uma verificação experimental paralela dos efeitos sobre a produção de microalgas (CHIARAMONTI et al., 2013). Em tanques de cultivo da microalga Spirulina, Richmond e Vonshak (1978) verificaram que dobrando a velocidade de 15 cm.s-1 para 30 cm.s-1 o rendimento em biomassa aumentou em 50%, e isto foi, provavelmente, devido ao regime de luz mais favorável possibilitando que a cultura fosse mais rapidamente misturada dentro do raceway. O desenho do raceway deve abordar o problema da ''zonas mortas'' que se desenvolvem perto da parede jusante de curvas, uma vez que aumentam a dissipação de energia e reduzem a capacidade do raceway. Além disso, o campo de velocidade não uniforme resultante leva a desigualdade no tempo de residência das células no reator, o que é prejudicial para a produtividade dos raceways, especialmente se o reator funciona em modo contínuo. Diferentes estratégias têm sido propostas para minimizar a extensão das zonas.

(18) 18. mortas, entre instalação de defletores de fluxo, retificadores ou palhetas guias, modificando o projeto das curvas (HADIYANTO et al., 2013; LIFFMAN et al., 2013). Mas o alto nível de mistura, e, subsequentemente, um fluido de alta velocidade, no raceway é conhecido por apresentar limitação sobre o crescimento de células de algas sensíveis ao estresse hidrodinâmico, danificando a estrutura de célula, liberando o material intracelular para o meio de cultivo (SASTRE et al., 2007). Richmond (1988) mencionou que alta taxa de mistura na cultura da Spirulina pode resultar em danos celulares causados mecanicamente pela força de cisalhamento. Portanto, a investigação das características hidrodinâmicas e de geometria são muito importante na concepção de raceway para a produção de microalgas. Na literatura, a intensidade da agitação é normalmente definida pelo número de Reynolds (Re): elevado Re está associado com nível elevado de agitação e vice-versa (RICHMOND; HU, 2013). O número Re é definido como a razão entre a relação forças de inércia para as forças viscosas. O fluxo de Re pode ser estimado pela Equação 1. ܴ݁ ൌ ܸǤ ‫ܦ‬Ǥ ‫ି ݒ‬ଵ. (1). Em que, D é o diâmetro hidráulico do canal aberto, V a velocidade de fluxo média e ‫ݒ‬ a viscosidade cinemática A equação (1) representa um parâmetro adimensional chave na fluidodinâmica: se Re é proporcional à velocidade de fluxo, um alto Re (>3000), consequentemente, uma elevada velocidade da cultura no tanque. A turbulência também é usada como sinônimo de Re, em muitas obras sobre a agitação de algas. Um elevado Re corresponde a fluxos turbulentos, enquanto um baixo Re corresponde a fluxos laminares (PRUSSI, et al., 2014). De modo geral, para o crescimento de algas apenas a agitação vertical é considerada como interessante, para descrever a probabilidade de uma célula de algas para captar a luz, e Re não é suficiente para resolver os problemas da agitação vertical em um raceway (MENDOZA, et al., 2013; VOLETI, 2012). No contexto de melhorar a hidrodinâmica em biorreatores, a fluidodinâmica computacional (CFD) é uma ferramenta de baixo custo poderosa que já provou a sua eficácia no que diz respeito ao design de fotobiorreatores (BITOG, et al., 2011). Os modelos CFD permitem a caracterizar/estimar diversas variáveis-chave que são praticamente inacessíveis para as medições experimentais, como as tensões de cisalhamento. Recentemente o CFD tem sido aplicado para avaliar as geometrias dos raceways (HADIYANTO et al., 2013;.

(19) 19. LIFFMAN et al., 2013), no entanto estes trabalhos foram apenas voltados para a avaliação de diferentes geometrias em termos de uniformidade de fluxo, mas nenhum dos resultados numéricos foi confrontado com dados experimentais de produção de biomassa (HIREIZ, et al., 2014). Os trabalhos realizados nesta área abordam a produção de biomassa microalgal, porém nenhum deles traz a influência da agitação no acúmulo de carboidrato e na produtividade em carboidrato, sendo este um fator importante na viabilização da produção de bioetanol. 3.2.1.1 Fluidodinâmica Computacional A CFD resolve problemas que envolvem o movimento dos fluidos, utilizando um modelo computacional que representa um sistema ou dispositivo que pode ser construído, e aplica o fluxo de fluido utilizando princípios físicos e químicos para este protótipo virtual, e uma predição da dinâmica dos fluidos e os fenômenos físicos relacionados podem ser determinados (BITOG, et al., 2011). O método utilizado pela CFD pode ser o método dos elementos finitos (MEF) que consiste em diferentes métodos numéricos que aproximam a solução de problemas de valor de fronteira descritos, tanto por equações diferenciais ordinárias, quanto por equações diferenciais parciais. Através da subdivisão da geometria do problema em elementos menores, chamados elementos finitos, nos quais a aproximação da solução exata pode ser obtida por interpolação de uma solução aproximada (KANAYAMA; MIYAOKA, 2011). Para os escoamentos de fluidos, o modelo matemático é estabelecido com base nas equações de conservação da quantidade de movimento, da massa e da energia (HIRSCH, 1988). O escoamento turbulento é caracterizado pela formação de turbilhões devido à elevada velocidade de escoamento do fluido e engloba maior parte dos estudos de fluido em movimento. Como há grande variação das características físicas do fluido em um pequeno intervalo de tempo, o domínio deve apresentar malha fina de elementos finitos a fim de obter melhores resultados. Porém, é necessária elevada capacidade computacional na resolução das equações de Navier-Stokes que são utilizadas para modelar o fluxo (KANAYAMA; MIYAOKA, 2011). O modelo de turbulência k-ɛ (k: energia cinética turbilhonar e ɛ: taxa de dissipação da energia cinética turbilhonar) é provavelmente, o modelo mais amplamente utilizado e validado empregado para a turbulência e a dinâmica dos fluidos. O modelo é o favorito para aplicações industriais, devido necessitar um baixo esforço computacional e alta estabilidade.

(20) 20. numérica. A formulação numérica deste modelo inclui duas equações de transporte para representar as propriedades de turbulência do fluxo de fluido dinâmico (HADIYANTO et al., 2013; LAUNDER; SPALDING, 1974). A utilização dos softwares de CFD possui pelo menos três elementos principais: o préprocessamento, a solução e o pós-processamento. O pré-processamento consiste na escolha de um modelo, dentre os propostos pelo software, que caracterize de forma adequada o problema estudado, a criação da geometria através de um conjunto de ferramentas disponíveis, a determinação das condições de contorno e propriedades físicas e químicas relevantes dos elementos estudados no escoamento e a geração de uma malha sobre a geometria estudada (CUNHA, 2012; SIMÕES et al., 2004). A fase de solução consiste na escolha de um método numérico, dentre diversos disponíveis nos softwares, para resolução das equações envolvidas no problema. Esta solução é calculada nos nós de cada elemento da malha gerada sobre o domínio, sendo desta maneira a qualidade da solução do problema governada pelo número de elementos na malha. Geralmente, quanto maior o número de elementos, maior será a qualidade do resultado, porém maior será também o custo computacional em tempo de processamento (CUNHA, 2012; SIMÕES et al., 2004). No pós-processamento são extraídos os mapas das propriedades (físicas, químicas, entre outros), os parâmetros de interesse para serem analisados (CUNHA, 2012; SIMÕES, 2004). A CFD é considerada uma ferramenta eficaz para complementar as limitações do campo e experiências laboratoriais (BITOG, et al., 2011). Sompetch et al. (2012) investigaram o fluxo em raceway com deflectores e concluíram que a proporção da área zona morta diminuiu de 14,2% para 0%, em comparação com a lagoa controle. 3.3. Potencial de acúmulo de carboidrato nas microalgas O potencial de conversão de biomassa algal em bioetanol está primeiramente ligado à. obtenção de grandes quantidades de biomassa com elevado teor de carboidratos. O crescimento algal é dependente da realização da fotossíntese, que é um processo metabólico pelo qual os organismos fotoautotróficos são capazes de converter energia luminosa em energia química na forma de carboidratos (CHEN et al., 2013; MIRANDA et al., 2012). Duas fases distintas podem ser identificadas durante a fotossíntese: a fase clara e a fase escura. Na fase clara ocorre primeiramente a absorção da energia luminosa pelos pigmentos.

(21) 21. fotossintetizantes, seguida da transferência parcial desta energia para a ligação pirofosfato. Na fase escura, o dióxido de carbono é reduzido para carboidratos no ciclo de Calvin, utilizando a energia derivada do NADPH e ATP (ALBERTS et al., 1997). No ciclo de Calvin, o primeiro passo é a fixação do dióxido de carbono, a molécula de CO2 condensa-se com a ribulose-1,5-bifosfato (RUBP), formando um composto instável, com seis carbonos, que é rapidamente hidrolisado a duas moléculas de 3-fosfoglicerato pela enzima ribulose 1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenasse, uma das moléculas é utilizada como substrato para a formação de carboidratos, enquanto a outra é usada para realizar o ciclo seguinte. Os carboidratos são formados dentro do cloroplasto, mas também no citosol (MARKOU et al., 2012a) (Figura 1). Figura 1-Ciclo de Calvin. Fonte: WELLS e TUPY, 1998.. A produção de carboidratos serve a dois objetivos principais para as microalgas: atuam como componentes estruturais nas paredes celulares e como componentes de armazenamento no interior da célula. Os carboidratos, como os compostos armazenados, fornecem a energia necessária para os processos metabólicos dos organismos e para permitir, se necessário, a sobrevivência temporária em ambientes escuros (GEIDER; LA ROCHE, 2002). Para obter uma maior quantidade de biomassa das microalgas rica em açúcar, que é utilizada como matéria-prima para a produção de bioetanol, a produtividade de carboidratos na célula deve ser alta. A porcentagem de carboidratos na biomassa depende das espécies de microalgas e das condições de cultivo e ambientais. Várias espécies de microalgas, tais como Porphyridium cruentum (40% - 57%), Spirogyra sp. (33% - 64%), têm teor elevado de carboidratos (HARUN et al., 2010). As microalgas como Chlorella, Chlamydomonas, Dunaliella, Scenedesmus, e Tetraselmis apresentaram em estudos a capacidade de acumular grande.

(22) 22. quantidade de carboidratos (> 40% do peso seco) (JOHN et al., 2011; RAZEGHIFARD, 2013). Pesquisadores relataram que o gênero Chlorella possui elevado teor de carboidratos, especialmente as espécies de C. vulgaris, com carboidratos de 37% - 55% do seu peso seco (BRENNAN; OWENDE, 2010; DRAGONE et al., 2011). No entanto, para a produção de biocombustíveis ser maximizada, o elevado teor de carboidrato tem de ser combinado com a capacidade das espécies de microalgas a ter elevada produção de biomassa. Portanto, as espécies conhecidas de microalgas que possuem taxas elevadas de crescimento podem ser manipuladas para produzir os maiores valores de carboidratos (MARKOU et al., 2012a). O controle do cultivo ou das condições ambientais é a forma comumente utilizada para a manipulação da composição da biomassa de microalgas, e maior acúmulo de carboidratos na biomassa. Os cultivos e fatores ambientais mais frequentemente relatados, que afetam o teor de carboidratos, são o tipo e a concentração da fonte de nutrientes, intensidade de luz e temperatura. Além disso, o modo metabólico (autotróficos, heterotróficos, e mixotróficos) afeta a composição da biomassa (MARKOU et al., 2012a). A estratégia de limitação de nutrientes é considerada como sendo uma abordagem razoável para a produção de microalgas rica em carboidratos. Esta técnica é exequível porque é relativamente fácil de controlar os nutrientes no meio de cultura (DRAGONE et al., 2011; MARKOU et al., 2012a). Vários estudos recentes têm demonstrado que o cultivo sob condições deficientes de nitrogênio eleva o teor de lipídios ou carboidratos, porque o nitrogênio em condição de esgotamento favorece que lípidos ou carboidratos sejam sintetizados preferencialmente ao invés de proteínas (DRAGONE et al., 2011; YEH; CHANG, 2011; HO et al., 2013). Estudos relacionados ao acúmulo de carboidratos relataram que com déficit de nitrogênio, culturas de Chlorella vulgaris acumularam carboidratos de até 38% - 41% (BRÁNYIKOVÁ et al., 2011; DRAGONE et al., 2011), cerca de 35% em Tetraselmis. cordiformis (JI et al., 2011),. enquanto que a Spirulina platensis acumulou 55% - 65% de carboidratos (SASSANO et al., 2010). O fósforo é um elemento essencial para o ATP e a restrição deste nutriente afeta a estratégia global de energia das microalgas, resultando na diminuição da síntese de proteínas e acúmulo de carboidratos e/ou lipídios. Em cultivos de Spirulina com limitação de fósforo, foi obtido aumento nos teores de carboidratos de 9% para 65%, enquanto o teor de proteínas diminuiu de 46,5% para 25% em cultivos semi-contínuos (MARKOU, 2012)..

(23) 23. A concentração de dióxido de carbono afeta o acúmulo de carboidratos nas microalgas. Diminuições na concentração de dióxido de carbono causaram aumento do conteúdo de carboidratos na biomassa de microalgas (THYSSEN et al., 2001). Conforme Abreu et al., (2012) a Chlorella acumula mais carboidratos em condições metabólicas mixótroficas. Choix et al., (2012) obtiveram maior acúmulo de carboidratos no modo heterotrófico do que sob condições fotoautotróficas, utilizando carbono inorgânico. Em geral é conhecido que intensidades luminosas elevadas resultam em aumento no conteúdo de carboidratos (HU, 2004). Em culturas de espécies Porphyridium, foi observado aumento de 3 vezes de carboidratos, quando a intensidade da luz aumentou cerca de 4 vezes (FRIEDMAN et al., 1991). Conforme Ho et al. (2012), a Scenedesmus obliquus obteve a maior produção de biomassa e carboidratos com o aumento da intensidade da luz, até atingir 420 μmol m-2 s-1, após essa intensidade ocorreu o fenômeno da fotoinibição, diminuindo a produção e o acúmulo de carboidratos. Embora seja certo que a temperatura afeta a composição da biomassa, resultados contraditórios são relatados em diferentes espécies de microalgas. Em culturas de Spirulina sp. o aumento da temperatura de 25ºC para 40°C resultou em ligeiro aumento dos carboidratos na biomassa onde passou de 14% para 21% (OGBONDA et al., 2007), enquanto que no Chaetoceros cf. wighamii o acúmulo de carboidratos foram maiores nas temperaturas mais baixas testadas (DE CASTRO ARAÚJO; GARCIA, 2005). 3.3.1 Utilização dos exopolissacarídeos na produção de bioetanol Muitos exopolissacarídeos (EPS) microbianos são atualmente utilizados, pois além de apresentarem propriedades físicas e químicas para sua utilização industrial na forma convencional, como gelificantes, emulsificantes, floculantes e hidratantes, a natureza aniônica dos EPS os faz interessantes para aplicações biomédicas, bem como para aplicações no campo da biorremediação para a remoção de metais tóxicos de águas poluídas (MAJDOUB et al., 2009; SINGH et al., 1999; YANG et al., 2009). Os EPS de microalgas podem ter uma variedade de funções diferentes dependendo da cepa, das características físico-químicas e do seu habitat natural. O açúcar mais frequentemente encontrado é a glicose, em mais de 90% dos EPS, seguido por galactose, manose e ramnose (DE PHILIPPIS; VINCENZINI, 1998). Segundo Nicolaus et al. (1999) a Spirulina sp. apresenta quantidade de exopolissacarídeo semelhante em condição de crescimento padrão em relação ao aumento de.

(24) 24. nitrogênio e também em relação ao aumento de fosfato. Já a ausência de NaCl e aumento da temperatura causou pequena diminuição na produção de EPS. Quando o conteúdo de nitrogênio foi diminuído ou estava ausente houve forte aumento na quantidade total de polissacarídeo. Conforme Rippka e Herdman (1992) a produção de EPS pela Spirulina sp. atingiu 55 mg.L-1 e concentração celular de 12 g.L-1. E a razão molar de açúcar dos EPS da Spirulina sp. cultivadas sob condições normais, para galactose, glicose e manose foi 1; 5,8 e 3,6 respectivamente, vale ressaltar que Spirulina sp. não contêm pentoses como resíduos de açúcar, mas apenas hexoses (MORVAN et al., 1997). Trabelsi. et. al.,. (2009a). avaliaram. as. características. físico-químicas. dos. exopolissacarídeos (EPS) extracelulares produzidas pela Spirulina platensis, a qual indicou que os EPS contem carboidratos (13%) e proteínas (55%). E a análise por cromatografia gasosa indicou que a porção de carboidratos dos EPS era composta de sete açúcares: galactose (14,9%), xilose (14,3%), glicose (13,2%), frucose (13,2%), ramnose (3,7%), arabinose (1%) e manose (0,3%) e dois ácidos urônicos, ácido galacturônico (13,5%) em ácido glucurônico (0,9%). Goo et al. (2013) avaliaram a viabilidade de transformar os EPS produzidos por D. tertiolecta em bioetanol, e evidenciaram que o glucano presente no EPS pode ser convertido em glicose e em seguida em bioetanol. 3.4. Sistema de cultivo das microalgas A escolha do sistema de cultivo é um aspecto importante, que afeta significativamente. a eficiência e eficácia do custo do processo de produção de biocombustíveis de microalgas (CARVALHO et al., 2006; LEE, 2001). As microalgas têm sido tradicionalmente cultivadas em fotobiorreatores abertos, como tanques abertos, devido à simplicidade e baixo custo deste tipo de design. Infelizmente, esses fotobiorreatores permitem apenas controle limitado das condições de operação. Além disso, as culturas podem ser facilmente contaminadas (FERNANDEZ et al., 2012; TREDICI, 2004). No entanto, para a produção de produtos de alto valor a partir de microalgas que não podem ser mantidas em tanques abertos, é necessário empregar sistemas fechados, tais como fotobiorreactores tubulares, que permitem o controle das condições de funcionamento, evitando contaminações (FERNANDEZ et al., 2012)..

(25) 25. O cultivo em larga escala de microalgas em sistemas ao ar livre, tanques abertos está bem estabelecido (BOROWITZKA, 2005). Os tanques podem ser escavados e revestidos com materiais impermeáveis ou podem ser construídos com paredes, e normalmente é utilizado um sistema de pás para realizar a agitação. Os tanques abertos são adequados para um pequeno número de espécies de algas que podem tolerar as condições ambientais extremas. Tais espécies de algas incluem crescimento rápido, como a Chlorella, Spirulina e Dunaliella que prosperam em ambientes altamente alcalinos ou salinos (CHISTI, 2007). Os problemas associados com os sistemas abertos incluem a contaminação, ambientes não controlados, a evaporação, a adequação limitada das espécies, baixas produtividades volumétricas, e a necessidade de uma grande área de terra, o que têm estimulado o desenvolvimento de fotobiorreatores fechados, a fim de superar a ineficiência dos sistemas anteriores (SINGH; DHAR, 2011). Há dois tipos principais de fotobiorreatores fechados, são os dos tipos tubulares e em placas. Devido à estrutura fechada e o ambiente relativamente controlável, os fotobiorreatores fechados pode atingir alta densidade celular e são de fácil manutenção da monocultura (LEE, 2001; UGWU et al., 2008). Os fotobiorreatores fechados podem ser construídos com vidro ou plástico transparente, podem ser horizontal, vertical, cónico, e inclinados. A mistura pode ser realizada através do transporte aéreo ou sistema de bomba (UGWU et al., 2008). Os fotobiorreatores fechados permitem a concentração de células muito mais elevadas do que o sistema tanques abertos, devido à grande área de iluminação, e menores problemas de contaminação. As desvantagens são gradientes de pH, oxigênio dissolvido e CO2 ao longo dos tubos, o crescimento de incrustações nas paredes e estresse hidrodinâmico (LEE, 2001; UGWU et al., 2008) Existem vários relatos a respeito do design, eficiência e eficácia de custo de um processo de produção de microalgas através de tanques abertos (LEE, 2001; CHISTI, 2007). Mesmo que o sistema de tanques abertos pareça ser favorecido para o cultivo comercial de microalgas no presente devido aos seus baixos custos de capital, o sistema fechado oferece melhor controle sobre a contaminação, a transferência de massa e outras condições de cultivo. A combinação do fotobiorreatores fechado e de tanques abertos combinam as vantagens dos dois e tem demonstrado ser eficaz (HUNTLEY; REDALJE, 2007) (Figura 2)..

(26) 26. Figura 2 -Fotobiorreatores utilizados no cultivo de microalgas: (a) raceway pond (b) tipo de placa plana, (c) tipo tubular inclinado e (d) tipo horizontal / contínuo.. Fonte: BITOG et al., 2011.. 3.5. Obtenção de biocombustíveis no contexto de biorrefinarias Estudos indicaram que a produção de biocombustíveis de microalgas está. relativamente perto de ser economicamente viáveis, dada à evolução esperada em relação às condições de mercado e tecnologia de produção (STEPHENS et al., 2010). Além dos carboidratos, considerados matéria prima para a produção de bioetanol, a biomassa de microalgas também contêm vários outros componentes valiosos, incluindo os lipídios, que podem ser convertidos em biodiesel; os pigmentos e às proteínas possuem aplicações como alimentos funcionais e para a obtenção de nutracêuticos e fármacos (LAMMENS et al., 2012; YEN et al., 2013). Além da biomassa, os EPS gerados por algumas espécies de microalgas devem ser considerados para obtenção de diversos produtos (YANG et al., 2009) A melhoria da viabilidade econômica pode ser alcançada pelo acoplamento de produção de biocombustíveis com a produção simultânea de produtos de alto valor em um conceito de biorrefinaria. A integração do cultivo de microalgas com piscicultura, instalações de processamento de alimentos e estações de tratamento de águas residuais, oferece a.

(27) 27. possibilidade de processamento de resíduos através da reciclagem da matéria orgânica e, ao mesmo tempo o fornecimento de nutrientes de baixo custo (CARRIQUIRY et al., 2011). Vários compostos das microalgas são úteis, tais como pigmentos (β-caroteno, astaxantina, ficobiliproteínas), ácidos graxos (ácido γ-linolénico, ácido eicosapentaenóico, ácido araquidônico), vitaminas e aminoácidos essenciais podem ser aplicados em humanos e nutrição de animais, no setor farmacêutico, cosméticos e aquicultura (CARDOZO et al., 2007; SKJÅNES et al., 2012). Portanto, o conceito tecnológico de biorrefinarias de microalgas merece maiores investigações. Em particular, a utilização dos EPS na produção de bioetanol, pois esse processo pode auxiliar na viabilidade econômica e comercial de converter os componentes de microalgas para biocombustíveis e em outros produtos de valor comercial..

(28) 28. 4. MATERIAL E MÉTODOS Na Figura 3 é apresentado um fluxograma da metodologia proposta na pesquisa. Figura 3 - Fluxograma geral proposto para os métodos da pesquisa. 4.1. Planta piloto raceways Os mini-tanques e tanques em escala piloto estão instalados em uma planta piloto de. cultivo de microalgas, localizada nas dependências do Parque Científico e Tecnológico da UPF (UPF Parque). Os recursos para a instalação da Planta Piloto foram provenientes do projeto aprovado na chamada 56 linha 2 do CNPq (2013), intitulado “Planta piloto de produção de microalgas e uso da biomassa em aquicultura, na produção de bioetanol e como antioxidante”. A estufa construída em filme plástico transparente foi adquirida de. empresa. especializada, e possui sistema automático de controle de temperatura, que é necessário para os cultivos utilizados na pesquisa, pois minimiza os efeitos ambientais na produtividade. A estufa contém painel evaporativo e exaustores para diminuir a temperatura e um aquecedor de 24.000 W, com isso é possível manter a temperatura interna em aproximadamente 30º C (Figura 4). A estufa possui 9 m de comprimento e 6,4 m de largura..

(29) 29. Os raceways de fibra de vidro foram projetados com volume útil de 350 L e 2900 L com um sistema de pás para realizar a agitação do cultivo. Os mini raceways em acrílico, foram construídos com as mesmas relações de diâmetro e comprimento dos raceways da planta piloto, para que as condições de cultivo otimizadas nos mini raceways, fossem utilizadas na planta piloto. Figura 4 - Imagem geral do interior da estufa para cultivo de microalgas.. 4.2. Projeto e construção dos raceways A geometria dos raceways é um parâmetro importante por tornar possível evitar a. deposição de sólidos que ocorre em áreas de estagnação. Esta deposição pode ocasionar degradação de matéria orgânica com fermentações indesejáveis, podendo causar depleção da cultura. A partir destas considerações buscou-se na literatura geometrias já testadas de forma a minimizar esses efeitos negativos. Duarte Filho (2002) testou quatro diferentes geometrias de raceways para a microalga Spirulina, tendo observado que a inclusão de curvas concêntricas e estreitamentos evitaram a deposição de material, quando comparados ao desenho padrão. Comparando-se a melhor configuração testada com a dos tanques de desenho padrão, observou aumento de 31,08% de biomassa, obtidas em 600 h de cultivo (Figura 5)..

(30) 30. Figura 5 - Modelo padrão e modificado de raceway utilizados por Duarte Filho (2002) para cultivos com Spirulina. Fonte: Adaptado de Duarte Filho, 2002.. A partir da geometria modificada foram projetados quatro raceways com capacidade útil de 350 L e capacidade total de 580 L (Apêndice A) e um com capacidade de útil 2900 L e capacidade total de 3650 L (Apêndice B). Os raceways foram construídos em Fibra de vidro manta 450 com resina especial isoftálica e o acabamento com Gel Isoftálico com UV que protege os tanques contra a radiação ultravioleta. O sistema de agitação é realizado por pás de aço inox e eixo movido por motor de corrente alternada (Figura 6)..

(31) 31. Figura 6 – Imagem do raceway de 350 L de fibra de vidro. Mini raceways foram projetados em escala laboratorial possuindo as mesmas relações de diâmetro e comprimento dos raceways da planta piloto, com a capacidade útil de 10 L e capacidade total de 18,65 L (Apêndice C). Os mini raceways foram construídos em acrílico com a espessura de 4 mm, o sistema de agitação foi através de pás de aço carbono, movidas por um motor de 12 V de corrente continua e 75 rpm. O sistema de alimentação do motor possui uma fonte com entrada de 220 V e saída de 12 V e 20 A, e um regulador de tensão responsável por alterar a rotação do motor. Através do regulador de tensão foi possível estabelecer diferentes rotações para o motor e por consequência diferentes velocidades de agitação do cultivo (Figura 7)..

(32) 32. Figura 7 - Imagem dos mini raceways em acrílico e do sistema de agitação. 4.3. Simulação do fluxo nos mini raceways A simulação do fluxo é uma ferramenta que auxiliou na definição das velocidades de. agitação nos raceways, aferindo assim a melhor velocidade a ser empregada nos raceways de acordo com sua geometria, corroborando com dados experimentais de produção de biomassa e carboidrato. O software utilizado para realizar a simulação do fluxo foi COMSOL Multiphysics 4.3, sendo que a simulação foi dividida em três etapas: o pré-processamento, a solução e pósprocessamento. 4.3.1 Pré-processamento da Simulação O fluxo foi simulado nos mini raceways confeccionados de acrílico, com sistema de agitação na forma de pás. No software para realizar a simulação o primeiro passo foi a definição e criação da geometria da região do escoamento, exportando arquivos com extensão compatível de CAD ou na própria área do software específica para construção da geometria. Também foi necessário especificar o fluxo do fluido, isto é, definir as condições de contorno disponíveis para a simulação, que são as paredes do raceway. No escoamento interno, as condições de entrada (inlet) e de saída (outlet) do fluido foram definidas para estudar o comportamento do.

(33) 33. escoamento no domínio, a condição de entrada e saída definidas foram as diferentes velocidades empregadas pelo sistema de agitação variando de 0,1 m.s-1 a 0,45 m.s-1. O próximo passo foi criar a malha que consiste em subdividir o domínio em pequenas e inúmeras células necessárias à aplicação das equações. Nesta discretização os valores das propriedades deste escoamento, como a velocidade do fluido, foram determinados em cada célula, sendo que o número de células foi definido pelo software, sendo utilizada a opção normal do número de células disponíveis. O último passo antes da solução da simulação foi definir as propriedades físicas do fluido como densidade e viscosidade do fluido, para fins de simplificação foram utilizados a densidade (998,2 kg.m-3) e a viscosidade da água (0,001002 N.s.m-2) a 20ºC, e as propriedades do material dos mini raceways (acrílico), densidade (1190 kg.m-3), coeficiente de expansão termal (1420 J.kg-1.k-1), módulo de elasticidade (3.109 Pa), e condutividade térmica (0,19 W.m-1. k-1). 4.3.2 A solução da simulação Nas etapas da simulação computacional os modelos consideram um meio contínuo ocupando todo o domínio de cálculo. Para as condições das simulações, o software resolveu a equação de Reynolds Médio Navier-Stokes (Reynolds Averaged Navier–Stokes) e o modelo de turbulência k-ɛ, as quais descrevem o escoamento de um fluido e permitem calcular campos de velocidade e pressão de um escoamento. O modelo de turbulência para as simulações foi o k-ɛ padrão, que segundo Launder e Spalding (1974) é um modelo semi-empírico baseado nas equações do modelo de transporte para a energia cinética turbulenta e sua taxa de dissipação. O modelo k-ɛ padrão, tem sido amplamente usados para modelagem de turbulência, e foi adotado para descrever o comportamento do fluido nos raceways (HUANG et al., 2014; WANG et al., 2014; ZHANG et al., 2015). Conforme Prussi et al., (2014) que realizaram em um raceway uma comparação entre os resultados quantitativos de dados experimentais obtidos através de velocímetro acústico doppler e os numéricos da simulação, onde observaram que os dados numéricos são próximos aos dados experimentais para a maior parte dos pontos no domínio, mostrando a capacidade do modelo para prever os valores dentro de vasta gama de velocidades medidas..